基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

彭玲茜 潘瑜 范自盛

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速增長和城市化進程的不斷推進，建筑施工行業(yè)也得到了快速的發(fā)展。 但另一方面，建筑施工過程中的諸多環(huán)節(jié)仍存在多種安全隱患，易引發(fā)事故，不僅會造成企業(yè)的財產(chǎn)損失，還會危及施工人員的生命安全，建筑施工安全管理問題日益突出?，F(xiàn)階段大型復(fù)雜高層建筑的增多，導(dǎo)致施工難度也隨之增大，對技術(shù)的專業(yè)性要求也不斷提高。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳統(tǒng)計，2018年全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故734起、死亡840人[1]。造成安全生產(chǎn)事故的原因，主要是安全管理不到位導(dǎo)致的。因此，建筑施工安全教育成為業(yè)界關(guān)注的焦點。當(dāng)前，建筑施工安全教育主要圍繞安全技術(shù)交底及安全檢查、驗收與持續(xù)改進等方面進行，基本是通過文件學(xué)習(xí)、視頻教育、筆試考核等傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)手段，來傳遞安全教育的意圖、目標(biāo)和內(nèi)容。然而，受訓(xùn)者很難通過理論性的課堂教育，深刻認(rèn)識安全施工生產(chǎn)的重要性和安全事故的嚴(yán)重性。基于被動式的理論知識學(xué)習(xí)安全教育模式，在一定程度上會造成施工人員對安全技術(shù)內(nèi)容的理解困難，例如，不能全面地分析作業(yè)現(xiàn)場和施工人員的實際情況；或是對施工現(xiàn)場存在的隱患辨識不全面、不徹底，不能有效地進行建筑施工安全教育培訓(xùn)等，從而難以提升施工人員安全技術(shù)水平，無法達到提高施工人員安全意識和防范事故發(fā)生的目的。因此，如何將現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用于建筑施工安全教育已成為安全培訓(xùn)業(yè)內(nèi)的當(dāng)務(wù)之急。

VR技術(shù)能夠讓受訓(xùn)者進入虛擬環(huán)境獲取建筑信息數(shù)據(jù)，進行方案優(yōu)化、事故體驗，在有限的空間，減少固定式實物體驗項目的投入，符合綠色施工的理念。同時，對建筑行業(yè)項目施工具有較強的指導(dǎo)作用，能夠有效提高安全管理效率。所以，具備沉浸感、仿真性、互動性的VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用在建筑施工行業(yè)安全教育中。

1 VR技術(shù)應(yīng)用在建筑施工安全教育方面的優(yōu)勢

VR技術(shù)是集計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，結(jié)合傳感技術(shù)與人工智能，基于計算機模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感的人機交互技術(shù)。VR系統(tǒng)的構(gòu)建主要通過Unity3D引擎軟件及3DMAX建模軟件協(xié)同開發(fā)完成。VR技術(shù)具有突破時空限制，再現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境、進行沉浸式教學(xué)，任務(wù)式學(xué)習(xí)以及保證高風(fēng)險體驗項目的安全性等優(yōu)點，可為建筑施工安全教育提供技術(shù)支持?；赩R技術(shù)開發(fā)的建筑施工安全教育仿真系統(tǒng)，可以較全面地涵蓋施工作業(yè)過程中遇到的安全問題，有利于建筑施工安全教育的展開[2]。

1.1 突破時空限制，再現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境

VR技術(shù)能夠模擬施工現(xiàn)場環(huán)境，通過建筑施工安全教育仿真系統(tǒng)建設(shè)，可再現(xiàn)前期施工準(zhǔn)備階段、地基與基礎(chǔ)施工階段、節(jié)能工程施工階段以及建筑裝飾裝修施工階段全過程，使受訓(xùn)者不用到達施工現(xiàn)場，也可突破時空限制，真實地了解施工全過程。

1.2 沉浸式課堂，任務(wù)式學(xué)習(xí)

VR技術(shù)能夠構(gòu)建沉浸式課堂，讓受訓(xùn)者在虛擬空間中完成任務(wù)式學(xué)習(xí)。受訓(xùn)者可以借助VR設(shè)備模擬進入虛擬的建筑施工現(xiàn)場，以第一人稱的身份去體驗施工中可能發(fā)生的險情，感受安全事故發(fā)生所造成的后果。在體驗完成后，可通過第三人稱回顧事故發(fā)生的情景，并有針對性地進行事故分析和總結(jié)。沉浸式課堂可幫助受訓(xùn)者在學(xué)習(xí)突發(fā)事件應(yīng)急處置過程中，通過了解現(xiàn)場各項工序及施工環(huán)境中的安全隱患，從而提高安全防范意識。結(jié)合VR技術(shù)沉浸感、仿真性、互動性的特點，加以人機交互，受訓(xùn)者可通過建筑施工安全教育系統(tǒng)平臺，進行施工過程技術(shù)交底、安全隱患排查等工作任務(wù)的學(xué)習(xí)。

1.3 安全性能高，投入成本少

傳統(tǒng)的安全教育一般通過搭建安全體驗館以及質(zhì)量樣板展示區(qū)來進行培訓(xùn)。安全體驗館的實體項目，比如高處墜落項目，讓受訓(xùn)者在5m高度，突然下墜至海綿鋪設(shè)的地面，存在一定的體驗風(fēng)險。而質(zhì)量樣板展示區(qū)，需要大空間，展示實體施工工藝。但是通過引入VR技術(shù)，搭建建筑施工安全教育系統(tǒng)平臺，則讓受訓(xùn)者在安全的條件下真實體驗建筑施工的常見事故。構(gòu)建基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)不僅可以降低事故體驗的風(fēng)險，還能在保證教育培訓(xùn)效果的基礎(chǔ)上，減少固定的安全體驗館以及質(zhì)量樣本展示器材等資金的投入，達到整體安全性能提高和降低投入成本的目的。

2 VR技術(shù)安全培訓(xùn)系統(tǒng)框架設(shè)計和構(gòu)建

在建筑施工過程中，安全是永恒的主題。事實證明，單純對受訓(xùn)者進行理論式的安全培訓(xùn)效果一般，建筑施工安全教育VR系統(tǒng)對象為安全管理人員及施工人員，只有不斷加強對他們進行建筑施工的常見事故真實體驗的安全教育培訓(xùn)，提高施工者的安全意識，才能筑牢建筑施工安全防線。充分發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)建筑施工安全教育VR系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)安全教育模式無法完全滿足建筑施工安全教育需求的問題[3]。因此，本節(jié)在分析了VR技術(shù)特點的技術(shù)上，設(shè)計和構(gòu)建了基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，旨在借助VR設(shè)備模擬進入虛擬的建筑施工現(xiàn)場，提高受訓(xùn)者對建筑施工環(huán)境的熟悉度、設(shè)備操作的熟練度及應(yīng)急救援的能力，構(gòu)建框架設(shè)計如圖1所示。建筑施工安全教育VR系統(tǒng)包含漫游體驗?zāi)Ｊ?、?xùn)練模式以及考核模式。漫游模式涵蓋施工環(huán)境情境漫游及常見安全事故的體驗，受訓(xùn)者可以進入VR施工現(xiàn)場，感受真實施工環(huán)境，體驗施工過程中常見的安全事故，例如高處墜落、物體打擊、起重事故等。訓(xùn)練模式包括應(yīng)急處理方案預(yù)演、安全作業(yè)規(guī)程學(xué)習(xí)及典型事故案例分析，受訓(xùn)者可以通過學(xué)習(xí)和模擬操作，進入VR施工現(xiàn)場進行應(yīng)急處理方法、急救知識、安全技術(shù)交底等知識點學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)完成后，可以進入考核模式，進行隱患排查測評。

圖1 建筑施工安全教育VR系統(tǒng)構(gòu)建框架設(shè)計

3 VR技術(shù)在建筑施工安全教育系統(tǒng)中的構(gòu)建和應(yīng)用

以漫游模式下，常見安全事故體驗為例，訓(xùn)練內(nèi)容來源于工程實踐案例。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳的統(tǒng)計，2018年，全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故類型分布，具體如表1所示。通過表1可以看出，高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機械傷害是工程生產(chǎn)安全事故中的多發(fā)的事故類型。因此，我們以這五類常見安全事故類型作為主要研究對象，構(gòu)建并開發(fā)了相應(yīng)的VR建筑施工安全教育系統(tǒng)。

表1 全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故類型分布表[1]

3.1 高處墜落事故體驗VR系統(tǒng)

通過使用VR設(shè)備，使受訓(xùn)者能進行全景沉浸式觀察學(xué)習(xí)，在安全的環(huán)境下深入分析高處作業(yè)的危險環(huán)境。高處墜落事故體驗VR系統(tǒng)不僅講解內(nèi)容全面細(xì)致，還可反復(fù)觀看，給受訓(xùn)者提供了豐富的個人防護用品資訊，也為受訓(xùn)者選取適當(dāng)?shù)膫€人防護用品提供了建議。若受訓(xùn)者在進行高處作業(yè)時，沒有正確穿戴安全防護用品，則有可能會發(fā)生從高樓墜落的事故。高處墜落事故體驗VR系統(tǒng)場景如圖2所示。VR設(shè)備可以做到虛實結(jié)合，增加事故感知體驗，并通過系統(tǒng)中的過程記錄做出相關(guān)結(jié)果評價，將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)安全教育相融合。

圖2 高處墜落事故體驗VR系統(tǒng)

3.2 物體打擊事故體驗VR系統(tǒng)

本研究構(gòu)建的建筑施工場所物體打擊事故體驗VR系統(tǒng)主要包括，腳手架作業(yè)中的物體打擊、起重作業(yè)中的物體打擊、機械作業(yè)中的物體打擊、土方作業(yè)中的物體打擊和拆除作業(yè)中的物體打擊等內(nèi)容。受訓(xùn)者可以通過使用VR設(shè)備，體驗在不同施工環(huán)境下，由于失控物體的慣性力造成的人身傷害。VR系統(tǒng)再現(xiàn)了在腳手架施工作業(yè)中，架子工在搭設(shè)外腳手架時，扳手掉落，砸傷地面上的其他工作人員的情景[4]。物體打擊事故體驗VR系統(tǒng)場景如圖3所示。在情景體驗后，系統(tǒng)對受訓(xùn)者進行了事故原因分析及預(yù)防對策的學(xué)習(xí)，使受訓(xùn)者切身體會到事故后果的嚴(yán)重性，以到達在施工過程中增強隱患意識，安全作業(yè)的目的。

(a)真實環(huán)境

(b)VR虛擬場景圖3 物體打擊事故體驗VR系統(tǒng)

3.3 起重傷害事故體驗VR系統(tǒng)

起重傷害事故體驗VR系統(tǒng)模擬了重物墜落、起重機失穩(wěn)傾覆、金屬結(jié)構(gòu)破壞、擠壓等起重機傷害事故的形式。受訓(xùn)者通過VR設(shè)備虛實結(jié)合，體驗起重傷害事故，進行事故原因分析，牢記起重機械“十不吊”安全規(guī)定，杜絕事故發(fā)生。起重傷害事故體驗VR系統(tǒng)場景如圖4所示。

圖4 起重傷害事故體驗VR系統(tǒng)

3.4 模板坍塌事故體驗VR系統(tǒng)

建筑施工模板坍塌事故體驗VR系統(tǒng)，主要包括模板坍塌事故體驗、原因分析、預(yù)防措施等三個方面的內(nèi)容。由于模板支撐系統(tǒng)的施工環(huán)節(jié)技術(shù)性強，必須從設(shè)計、材料選用、施工工藝等方面進行學(xué)習(xí)，通過事故體驗，可以讓受訓(xùn)者了解其正確的施工工藝、規(guī)范施工、保障構(gòu)造措施合理及檢測措施得當(dāng)，從根本上預(yù)防模板坍塌事故的發(fā)生[5]。

3.5 機械傷害事故體驗VR系統(tǒng)

施工現(xiàn)場機械傷害事故體驗VR系統(tǒng)主要涵蓋了事故風(fēng)險分析、應(yīng)急工作職責(zé)、應(yīng)急處置方法以及佩戴個人防護用品、搶險救援器材、采取救援對策或措施、現(xiàn)場自救和互救等方面的注意事項。受訓(xùn)者通過使用VR虛擬仿真設(shè)備，切身體會刀具的切割傷害、木料的反彈側(cè)倒沖擊傷人事故以及飛出物的打擊傷害。通過事故體驗，受訓(xùn)者可掌握正確的機械操作方法，以提升安全意識。

4 安全教育VR系統(tǒng)應(yīng)用評價效果分析

4.1 VR技術(shù)融入安全教育，提高培訓(xùn)效果

本研究對某培訓(xùn)機構(gòu)培訓(xùn)學(xué)員進行分組教學(xué)。第一組110人進行普通教學(xué)模式學(xué)習(xí)，第二組124人進行基于VR技術(shù)建筑施工教學(xué)模式。通過對不同教育模式下相同學(xué)習(xí)模塊的學(xué)習(xí)效果進行了統(tǒng)計分析,考核通過率數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。通過表2可以看出，與傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)模式相比，使用建筑施工安全教育VR系統(tǒng)后,受訓(xùn)者在施工現(xiàn)場隱患排查、以及高處墜落、物體打擊、起重傷害、機械傷害、模板坍塌，等安全防范方面,合格率均有顯著提高。

表2 學(xué)習(xí)效果統(tǒng)計分析表 %

4.2 VR技術(shù)在有效資源下，拓展無限空間，資金利用率高

傳統(tǒng)的安全管理教育模式與VR建筑施工安全教育系統(tǒng)應(yīng)用效益分析如表3所示。傳統(tǒng)的安全管理教育模式需要建設(shè)固定的安全體驗館與質(zhì)量樣板區(qū)等硬件設(shè)施，存在占地面積大，周轉(zhuǎn)使用率低，資金投入大等缺點。但是將VR技術(shù)融入傳統(tǒng)教育模式后，可以充分發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)勢，通過VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，以及沉浸式的場景，在有限的實際空間中，擴展出無限的虛擬空間，最大限度地利用有限的空間和建設(shè)資金，減少固定式實物體驗項目的投入[6]。

表3 VR技術(shù)應(yīng)用效益分析

5 結(jié)論

建筑施工行業(yè)是高風(fēng)險行業(yè)之一，危險系數(shù)高，事故多發(fā)，因此建筑施工安全管理工作一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。本文通過應(yīng)用VR技術(shù)在有限安全空間內(nèi)把大量難以再現(xiàn)的事故場景及安全隱患融入建筑施工安全教育內(nèi)容，通過身臨其境的體感體驗，使受訓(xùn)者了解突發(fā)事故應(yīng)急機制。具體結(jié)論如下：

(1)構(gòu)建了VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，覆蓋高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機械傷害五類常見安全事故類型，充分發(fā)揮VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，在提高受訓(xùn)者對施工環(huán)境熟悉度、設(shè)備操作的熟練度及應(yīng)急救援的能力等方面，取得了良好的教學(xué)效果。有效解決了在傳統(tǒng)安全管理教育培訓(xùn)中，受訓(xùn)者很難通過理論性的課堂教育，深刻認(rèn)識建筑施工安全生產(chǎn)的重要性和安全事故的嚴(yán)重性等問題。

(2)通過學(xué)習(xí)效果統(tǒng)計分析，驗證了基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，與傳統(tǒng)安全教育模式相比較，提高了受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)主動性，考核通過率明顯上升。

(3)通過應(yīng)用效益分析，驗證了VR技術(shù)融入安全理論教育的可行性，基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)不但保障了安全教育過程中人員的安全的同時降低了安全體驗館的建設(shè)成本。

鑒于VR技術(shù)在建筑施工安全教育上多方面的優(yōu)勢，還可以為其他施工行業(yè)基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)提供一定的借鑒作用。